液动水电球阀是水电站的重要机电设备，主要适用于含泥沙的高水头水电站, 随着国内水电站的增建，对水电球阀的需求量逐渐增大。传统的水电球阀结构复杂，密封性能差，多采用单边接力器，在线检修困难，阀座密封圈不易锁定和单独更换，并且其操作比较繁琐，阀门遇到故障时不能自动关闭并切断输送介质。因此，传统的水电球阀在水电站的运行中故障率较高，易导致机组异常停产。考虑到水轮机运行的特殊要求，本文在传统水电球阀实际使用经验的基础上，设计开发出双作用接力器液动水电金属密封球阀，以确保液动水电球阀在水电站能平稳、可靠和安全地运行。
1.结构组成
液动水电球阀结构如图1所示，其主要组成部分为上游阀前短管、密封组件、旁通管路组件、驱动装置、球阀组件、自锁组件、底座、下游伸缩节及附件部分。
（1）阀前短管
上游阀前短管的作用是将液动水轮机进水球阀上游与进水管道对接，连接方式为对焊，并预留60~110mm的焊接余量。下游通过伸缩节与水轮机蜗壳连接，以便于安装和检修液动球阀，伸缩节调整范围为0~200mm。
（2）密封组件
采用双向密封的滑动阀座结构，分为上游维护密封和下游主动密封。在球体的上下游密封位置均采用不锈钢密封圈，通过液压系统推动滑动阀座与其压紧，实现密封。正常关闭球阀时，下游工作密封关闭，实现止水。检修或更换下游工作密封组件时，上游检修密封组件关闭，并由机械锁定装置锁定。上下游滑动阀座设有位置信号指示装置，用以指示阀座密封圈的全开、全关位置。
（3）旁通管路组件
旁通管路组件包括旁通阀（闸阀、液压针形阀、空气阀）、检修阀、钢管和弯头等，用于减小阀门的操作力矩并在阀门开、关前平衡上、下游压差，避免在全压差下开、关阀门出现水锤现象。液动球阀在旁通管路上设有液动旁通球阀和检修阀，在下游伸缩节上方装有空气阀，可自动地进行排气、补气。伸缩节下部设有排水阀，阀体上部设有手动排气阀。
（4）驱动装置
发电机组水电球阀驱动装置由接力器、拐臂等组成，采用双油压操作系统（16MPa/4MPa）。主阀液压操作为直缸接力器，采用高油压操作系统，额定操作油压为16MPa。阀座、旁通阀采用低油压操作系统，额定操作油压为4.0MPa。电气控制系统采用PLC程序控制，可实现现场操作或远程控制，与上位机保持通讯联系。
（5）球阀组件
球阀组件结构组成如图2所示，用于开启或关闭输送介质。
（6）自锁组件
阀门设有节流止回阀、液压自锁装置、主阀位置信号指示装置以及自锁插入或退出信号指示装置。主阀接力器和锁定油缸动作采用互锁油路，以确保锁定解除到位后阀门才能动作，防止误动作发生。
（7）底座
底座包括球阀底座和双作用接力器底座。底座采用地脚螺栓安装在混凝土固定基础中，支撑阀门和双作用接力器。
（8）下游伸缩节
下游伸缩节包括伸缩法兰和下游法兰，用于阀门与下游发电机组的连接。伸缩节可移动，方便对阀门进行检修，也可适应于由温度、压力等异常波动造成的管道轴向升高或降低。
（9）附件部分
附件部分主要是为驱动装置提供动力源，使阀门按设定的步骤完成操作。
2.工作原理
2.1 液压系统
液压系统设有PLC蓄能式压力油罐，其工作原理如图3所示。开启球阀时，点击开启键，接通电磁阀5WDP，退出双作用接力器锁定键。双作用接力器锁定键退出信号返回，启动电磁阀3WDP，接通旁通阀的液压源，旁通阀开启，将旁通阀全开信号返回。当球阀上下游的压力相同时，差压传感器发出等压信号，使电磁阀4WDP移开，退出主动密封，将信号返回并开启电磁阀1WDP，接通双作用接力器液压源，球体转动，阀门处于全开位置后信号返回。电磁阀3WDP动作，关闭旁通球阀，将信号传送到控制室，使双作用接力器启动锁定，球阀指示灯开启。球阀双作用接力器和锁定油缸动作采用互锁油路，以确保锁定解除到位后球体才能动作，防止误动作发生。关闭球阀时，点击关闭键，退出双作用接力器锁定键，打开旁通阀，双作用接力器电源接通，关闭球体，退出密封，旁通阀关闭，将信号返回控制室。双作用接力器关闭锁定键，球阀指示灯关闭，双作用接力器释放压力。
2.2 控制柜
球阀控制柜设有多个信号控制源。
（1）指示球体开启与关闭的行程开关和指示灯（位置1）。
（2）指示旁通阀开启与关闭的行程开关（位置3）。
（3）指示接力器锁定插入与退出的行程开关和指示灯（位置5）。
（4）指示主动密封插入与退出的行程开关和指示灯（位置2、4）。
（5）油压表、阀前、阀后压力变送器和差压变送器。
传感器提供信号并与控制柜和中央控制室连接，实现阀门的现场操作或集中控制，满足系统的控制要求。液动球阀进行维护或拆换下游主动密封时，将球阀关闭，启动电磁阀2WDP开启维护密封，行程开关2传递信号，使上游维护密封指示灯开启，保证维护可靠，同时手动锁紧维护密封。维护时，应退出锁定维护密封，将电磁阀2WDP离出维护密封，行程开关2发出信号，使上游检修密封指示灯开启。
3.结构特点
（1）阀体材料
传统水电球阀阀体均采用铸件，采用锻件阀体代替铸件阀体，可以提升球阀阀体的机械性能和强度，减轻阀体，从根本上消除了铸件阀体自身难以克服的铸造缺陷。
（2）阀座
液动水电球阀采用不锈钢滑动阀座密封圈，用油压或水压控制阀座的动作。阀门的上游侧为维护密封，下游侧为主动密封。维护密封设有手动锁紧装置，一般维护时密封处于常开位置，在整机维护时进行使用。为避免下游维护时出现故障，将手动锁紧装置锁定，主动密封在球体转动前退出。
（3）密封件拆换结构
由于液动水电球阀使用工况多为泥浆，杂质对球体密封面磨损特别严重。为了提高阀门的可靠性，液动水电球阀将阀座设计为可拆换结构。阀门长期运行，只需对阀座进行更换，延长了阀门整机的使用寿命，提高其密封性能，降低成本。
液动水电球阀的阀座利用螺钉固定在阀体适当的位置，通过O形圈来实现密封。以定位销实现阀座与阀体的定位，避免阀座拆换后与阀体的再组装出现偏移。
（4）球体结构
液动水电球阀采用带间距性条状结构的球体，减轻了球体，降低了成本。
（5）颈部密封结构
阀体颈部采用内密封套圈和外密封套圈相结合的方式，利用O形圈实现多重密封，提高了密封性能。在内密封套圈中设置引水沟槽，中体内增加引水孔，利用螺塞封堵。当阀杆转动密封圈磨损出现泄漏时，可以将螺塞更换为接头，利用管路将泄漏水流引出。
（6）双作用接力器
球阀两侧分别设置接力器，一边接力器设置为自动锁定，另一边设置为机械锁定。球阀2侧接力器同时动作开关阀门，使阀门开关过程更平稳可靠，提高了球阀的稳定性。
（7）增加信号传感器
球阀除了在开、关位置设有信号传感器，分别在开启40%位置处和90%位置处增加了信号传感器。当球阀开启到40%位置处接收的位置信号可判定球阀在正常运转，同时可以发出指令关闭旁通阀。当球阀开启到90%或100%位置处接收的任一位置信号即可视为球阀进入全开状态，随即进入下一流程。该设计方案可以有效避免传统球阀当传感器发生故障时导致信号丢失产生误动作的现象，提高了产品的安全可靠性，避免事故发生。
结语：针对液动水电球阀在使用过程中的常见问题，分别从阀门材料、密封结构、执行机构、运行程序等方面对阀门进行了改进设计。阀体采用锻件可以提升球阀的机械性能和强度。阀座设有锁紧装置，可单独更换，密封性能可靠，提高了阀门的使用寿命。球体采用带间距性条状结构，减轻了球体。阀体颈部采用内密封套圈和外密封套圈相结合的方式，提高了密封性能。采用双作用接力器，提高了球阀的稳定性。增加信号传感器可提高球阀的安全可靠性。改进后的水电球阀操控方便，自动化程度高，流阻小，安全可靠，已经在水电站得到实际应用。